科學的發現——看見物性,也看見人性

文 / 孫維新

諾貝爾獎是頂人人豔羨的桂冠，要能戴上，瞬間人生就會產生巨大轉折，
走到哪裡人人奉若上賓，學校裡還會有個專屬停車位。
正因如此，在某些案例中，爭搶桂冠的過程不見理性，只見人性。
由此可證，不只物性有糾纏，人性也有。

聽過一個流傳在歐洲物理界的笑話，是這麼說的：當你提出了一個新的理論，大家都還無法理解時，你的反對者會說：「這個理論簡直是胡說八道！」（Its total nonsense!）當你這個理論逐漸為人了解並接受，你的反對者會說：「這是個有趣的理論，但有點變態！」（Its interesting, but kind of pervert.）

當你這個理論被廣大學界肯定時，你的反對者會說：「這個理論基本正確，但沒有什麼重要性！」（Its basically correct, but not important.）

當你這個理論建立了世界級的地位，諾貝爾獎已在眼前時，你的反對者會說：「我早就提出過這個想法了！」（I said that long time ago!）

這個笑話指出了科學界的文人相輕，也貼切地描述了一個新創理論在初生成形的時候，所會面臨的無情挑戰。20世紀初量子力學誕生時，也曾經面臨過類似困境，當時連學界最大咖都站出來質疑它的基本概念，愛因斯坦說：「上帝不會和你擲骰子！」支持量子力學的人小聲說：「是的，上帝不會，但魔鬼會！」

即使到了今天，量子世界中「疊加」和「纏結」這兩項關鍵理論仍然在挑戰著我們生活中早已習慣的日常規律。一個粒子可以同時存在於不同的量子態，直到它被測量時。兩個系出同源的粒子，無論已經分開多遠，當一個粒子經由測量決定了它的量子態，另一個粒子也會即時決定它自己的量子態，這個跨越久遠時空的瞬間超距影響，不是我們多年培養出來的生活直覺可以馬上理解的。即使在 20世紀中葉的 50年代，量子力學已經奠定基礎，物理學界仍然普遍認為這是「無用之論」，到了 21世紀的最近 10年，量子科技的應用突然爆發，這個領域才成了大國科研的新方向，讓我們又一次體會到了莊子的觀念：無用之用，是為大用！

這一期《科學人》雜誌的封面故事〈時空久遠，仍有糾纏 ——你不知道的吳健雄〉，談的是我們非常尊敬的吳健雄女士。她在 20世紀 50年代，就已經在「電子－正子湮滅」的過程中，在反向奔離的兩個光子偏振態上，觀察到了「纏結」的現象，但當時量子力學不受重視，吳女士又是位女性科學家，因為這種種原因，吳女士就沒有大張旗鼓宣揚這個成果。（entanglement直譯是「糾纏」，但這兩個字常用在人際相處上，因此《科學人》在文章中使用「纏結」這個較有物理意涵的翻譯；然而封面故事談的不只是科學，還有人間故事，所以封面的標題仍用「糾纏」。）

《科學人》 3月號封面走的是銀色反光的時尚雜誌風， 4月號封面使用了夜光塗料，拿到暗處就看得到低軌道衛星的夜空軌跡，這兩期的封面都引起了廣泛的關注和興趣，長期協助《科學人》進行電台宣傳的媒體朋友，稱讚之餘也給了溫和的挑戰：「看你們能玩到什麼時候？」這期的封面，編輯部再次出擊，使用 AI繪製帶入當代感，創造了吳健雄女士的「疊加態」！使用吳女士少女和中年兩個階段的形象，印出同一期雜誌的兩個不同封面！讀者不到拆開封套展開您自己的「測量」，不會知道封套之內是哪一個版本！

時空久遠，仍有糾纏——你所不知道的吳健雄

除了舉世聞名的宇稱不守恆，
吳健雄在1949年的實驗中首先記錄到纏結光子，
是2022年諾貝爾物理獎之外一個少為人知的成就。

撰文/佛朗克
翻譯/高涌泉

1949年11月在美國哥倫比亞大學，吳健雄和博士班學生沙克諾夫（ Iring Shaknov）下樓走到該校普賓大樓底下的實驗室。為了進行一項新實驗，他們需要反物質，所以利用一部稱為迴旋加速器（ cyclotron）的機器來製造反粒子。這部加速器使用的磁鐵有好幾公噸重、體積很大，根據校園傳聞，學校行政人員在十年前不得不在外牆上轟出一個洞，並召募足球隊員把巨大鐵塊搬進建築內。

迴旋加速器所產生的磁場能夠把粒子加速到極高速度。在地下室實驗室裡，吳健雄與沙克諾夫用這部加速器讓氘（ D）核撞擊一片銅，來產生一種不穩定的同位素銅 64，它可以做為正子（電子的反粒子）源。當一個正子與一個電子相撞，會湮滅而產生兩個光子，朝相反方向飛離。在更早先幾年，物理學家惠勒（John Wheeler）預測當物質撞到反物質，所產生的一對光子會有垂直的偏振態。吳健雄和沙克諾夫就是在尋找證據，以確認惠勒所謂的「電子正子對理論」（pair theory）。

他們並不是最早進行這類實驗的團隊。更早的一組實驗團隊有很大的「誤差範圍」（margin of error），所以結果不夠可靠。另一組團隊得到的結果偏低，不符惠勒的預測。而吳健雄是以實驗非常精準和高明設計聞名，在此之前一年，她證實了費米（ Enrico Fermi）的β衰變理論，這是別人付出十年的心力還無法成功的。

吳健雄與沙克諾夫把銅同位素裝進一個八毫米的小空腔內，等待電子與正子在裝置內相撞，然後使用兩個「光電倍增管」（photomultiplier）、蒽晶體（ anthracene crystal，「蒽」音同「恩」）以及閃爍計數器（ scintillation counter）做為γ射線探測器，在實驗的最遠端追蹤正子與電子彼此湮滅所產生的輻射。

最終他們收集了比前人多很多的數據，獲得的結果令人吃驚：證據顯示，來自電子與正子對撞而產生的一對光子，兩者的偏振會一直維持相互垂直，這種情形意味著光子之間即使相隔一段距離，仍有某種關聯。吳健雄與沙克諾夫的實驗證實了惠勒的電子正子對理論，他們把此結果發表於 1950年元旦出版的《物理評論》，文章只有一頁長。後來，人們把這項實驗看成是，為某種怪異現象提供了證據的第一項實驗 ──纏結的粒子永遠有完美關聯，無論它們相隔多遠。纏結極為怪異，以致於愛因斯坦認為它顯示了量子物理出錯之處。

諾貝爾獎委員會把 2022年的物理獎頒給了柯羅瑟（John Clauser）、艾斯培（ Alain Aspect）與柴林格（Anton Zeilinger），以褒揚他們對於纏結現象的實驗工作。這三位物理學家分別藉由改進前人的實驗設計，為纏結現象提供了越來越令人信服的證據。他們排除了一個又一個關於這種現象的另類解釋，直到最後，只剩下纏結成為唯一屹立不搖的結論。儘管吳健雄於 1949年的實驗並不是設計來排除競爭性解釋，但歷史學家都同意這是首先記錄纏結光子的實驗，然而 2022年諾貝爾物理獎公佈之時，卻沒有提及於 1997年過世的吳健雄。這可不是第一次她遭受忽視.....

作者簡介：

"一個充滿活力希望的科學社群
一個數位多元的科學通識平台
一份知識家庭必備的科普雜誌

《科學人》雜誌中文版2002年創刊，將國際與台灣一流科學家的研究成果率先報導，提供您最即時、深入、全面的科學資訊。每月閱讀《科學人》雜誌可以讓您在最短時間就能精確掌握全球科學發展，科技產業趨勢及進步脈動，在閱讀的過程中與世界頂尖科學家同步思考，並且迅速與世界接軌。在知識經濟的時代，《科學人》雜誌是家庭、學校、個人的必備讀物。"